Stężenia szkodliwych składników spalin podczas rozruchu zimnego silnika VW 1.2 TSI

Transkrypt

1 AMBROZIK Tomasz 1 ŁAGOWSKI Piotr 1 Stężenia szkodliwych składników spalin podczas rozruchu zimnego silnika VW 1.2 TSI WSTĘP Rozruch silnika o zapłonie iskrowym, zwłaszcza w niskich temperaturach otoczenia wpływa na jego energetyczno ekonomiczne i ekologiczne wskaźniki pracy oraz jego niezawodność. Według [6] rozruch silnika spalinowego definiowany jest jako proces podczas którego przez dostarczenie energii z zewnątrz i wymuszenie realizacji procesów roboczych doprowadza się silnik ze stanu spoczynku do stanu pracy. Podczas każdego rozruchu tłokowego silnika spalinowego następuje wzrost prędkości obrotowej wału korbowego od zera do wartości, która pozwala na jego samodzielną pracę. Po uruchomieniu silnik jest w stanie wytworzyć tyle energii mechanicznej, która niezbędna jest do pokonania wszystkich oporów własnych i oporów ruchu samochodu. Zgodnie z literaturą [5, 13, 14] w zależności od temperatury silnika można wyróżnić trzy rozruchy zimne: rozruch przy temperaturze silnika niższej od 0ºC, rozruch przy temperaturze silnika zawartej w granicach od 0 do 20ºC i rozruch silnika przy jego temperaturze od 20 do 60 ºC. Istotny wpływ na emisję szkodliwych składników spalin tłokowych silników spalinowych mają zarówno procesy fizyczne, jak i chemiczne [8, 17]. W czasie rozruchu i nagrzewania silnika z powodu gorszego odparowania paliwa wymagane jest wzbogacenie mieszanki paliwowo powietrznej. Wzbogacenie to ułatwia rozruch oraz zapewnia stabilną pracę silnika. Wraz ze spadkiem temperatury silnika ocenianej temperaturą cieczy chłodzącej, paliwa i powietrza wzrasta ilość niespalonych węglowodorów zawartych w spalinach. Na rozruch silnika wpływa wiele czynników, spośród których największy wpływ ma jego temperatura. Obniżenie temperatury powoduje wydłużenie czasu jego rozruchu. Pogarszają się wówczas warunki cieplne procesów przedpłomiennych, podczas których tworzą się aktywne zarodki reakcji chemicznych bezpośrednio wpływających na efektywność rozruchu. Podczas rozruchu zimnego silnika wzrasta emisja węglowodorów, tlenków węgla i dwutlenku węgla oraz zmniejsza się emisja tlenków azotu. Wzrost emisji dwutlenku węgla spowodowany jest większą dawką paliwa wtryskiwaną podczas rozruchu. Mniejsza emisja tlenków azotu spowodowana jest niższymi maksymalnymi temperaturami w cylindrze silnika zimnego w porównaniu z silnikiem, który osiągnął stan równowagi cieplnej. Obecnie w wielu ośrodkach naukowo badawczych prowadzone są doświadczenia eksperymentalne ukierunkowane na badania rozruchu silnika i emisji szkodliwych składników spalin w czasie jego trwania [1, 2, 3]. Obecnie stosuje się wiele rozwiązań konstrukcyjnych umożliwiających zmniejszenie wyżej wymienionej emisji podczas zimnego rozruchu silnika[4, 17]. Do takich rozwiązań należy zaliczyć: izolację cieplną komory spalania, izolację cieplną układu wylotowego, układy chłodzenia o małej pojemności cieplnej, wymienniki ciepła pobierające ciepło z układów chłodzenia w chwili osiągnięcia przez silnik równowagi cieplnej i oddające ciepło w fazie jego nagrzewania, możliwość szybszego nagrzewania silnika, zwiększenie sprawności mechanicznej i energetycznej silnika, zmniejszenie masy i zastosowanie oddzielnego układu chłodzenia dla głowicy i kadłuba cylindrów. W pracy [7] wykazano, że zastosowanie zmiennych faz rozrządu wpływa na poprawę rozruchu zimnego silnika. Pozostawienie części spalin z poprzedniego cyklu pracy silnika wpływa na temperaturę w cylindrze oraz emisję tlenku węgla CO i tlenków azotu NO X. Pozostawienie w cylindrze większej ilości spalin powoduje wzrost współczynnika resztek spalin. Kąt wyprzedzenia zapłonu również wpływa na wartość temperatury spalin i emisję węglowodorów HC. Możliwości 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn; ; Kielce Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel , tambrozik@tu.kielce.pl 1463

2 zmiany faz rozrządu i kąta opóźnienia zapłon umożliwiają mniejszą emisję szkodliwych składników spalin. Zastosowanie ogrzewania układu dolotowego i paliwa powoduje poprawę całkowitości i zupełności spalania, co sprzyja zmniejszeniu emisji tlenków węgla CO i węglowodorów HC [12]. Inną możliwością zmniejszenia emisji szkodliwych składników ze spalinami jest zastosowanie katalizatora trójfunkcyjnego. Jednak katalizator zaczyna efektywnie działać po osiągnięciu odpowiedniej temperatury pracy wynoszącej około ºC. W pracy [9, 10] przedstawiono budowę i zasadę działania trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. Podczas zimnego rozruchu silnika, zwłaszcza w niskich temperaturach, temperatura katalizatora jest przez długi czas niska i nie jest on aktywny. Prowadzone badania mają na celu wykorzystanie temperatury spalin do szybszego nagrzania katalizatora przy zachowaniu prawidłowego procesu spalania w tłokowym silniku spalinowym. Według [17] jedną z ważniejszych przyczyn emisji szkodliwych składników spalin z silnika o zapłonie iskrowym jest zbyt mały stopień jego nagrzania podczas zimnego rozruchu silnika. Istotny wpływ na rozruch zimnego silnika ma również stosowanie dodatków do paliw. W pracy [15] przeprowadzono analizę wyników badań dla silnika o zapłonie iskrowym zasilanym benzyna i jego mieszaniną z etanolem. Wykazano, że rozruch silnika na paliwie do zawartości 30% etanolu w benzynie był łatwy i stabilny. Dodatek etanolu powodował mniejszą emisję tlenku węgla i węglowodorów. Na podstawie badań stwierdzono, że rozruch zimnego silnika przy zasilaniu go paliwem o zawartości etanolu między 20 a 30% jest łatwiejszy, a jego praca bardziej stabilna. W pracy [16] przeprowadzono analizę wyników badań silnika o zapłonie iskrowym zasilanego benzyną z dodatkiem metanolu. W oparciu o analizę otrzymanych wyników badań stwierdzono, że wraz ze wzrostem ilości metanolu w benzynie skracał się okres trwania spalania kinetycznego. Przy dodatku 30% metanolu do benzyny emisja tlenku węgla zmniejszyła się o 70%, a węglowodorów o 40% w porównaniu z silnikiem zasilanym benzyną. Wraz ze wzrostem zawartości metanolu w benzynie otrzymano coraz większe temperatury spalin. Wzrost temperatury spalin może powodować większą emisję tlenków azotu i jednocześnie przyspieszyć efektywne i skuteczne działanie trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. 1 OBIEKT BADAŃ I APARATURA KONTROLNO-POMIAROWA Obiektem badań był silnik o zapłonie iskrowym Volkswagen 1.2 TSI, który spełnia normę EURO 5. Dane techniczne przedstawiono w tabeli 1 [2, 11]. Tab. 1. Podstawowe dane techniczne silnika 1.2 TSI 77 kw parametr jednostka wartość Układ cylindrów - rzędowy Liczba cylindrów, c - 4 Rodzaj wtrysku - bezpośredni Rodzaj wtryskiwaczy - elektromagnetyczne, pięciootworowe Kolejność pracy cylindrów Stopień sprężania, - 10,5 Średnica cylindra, D m Skok tłoka, S m 75, Pojemność skokowa silnika, V ss m 3 1, Moc nominalna silnika, N e kw 77 Prędkość obrotowa mocy nominalnej, n N obr/min 5000 Maksymalny moment obrotowy silnika, M e N m 175 Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, n M obr/min Prędkość obrotowa biegu jałowego, n bj obr/min 800 Stanowisko dynamometryczne wyposażone jest w badany silnik, szafę kontrolno pomiarową, hamulec elektrowirowy i pięciogazowy analizator spalin MEXA-1600 DEGR firmy Horiba. Podczas badań mierzono następujące wartości stężeń: tlenków azotu NO X, węglowodorów HC, tlenku węgla 1464

3 CO, dwutlenku węgla CO 2, tlenu O 2. Ponadto przy zastosowaniu analizatora MEXA-730λ firmy Horiba mierzono współczynnik nadmiaru powietrza λ. Analizator MEXA-1600 DEGR firmy Horiba służy do pomiarów stężeń następujących składników spalin: tlenku węgla, dwutlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu i tlenu w czasie rzeczywistym. Oprogramowanie zainstalowane w komputerze pozwala na sterowanie podzespołami analizatora oraz umożliwia transmisję i zapisywanie mierzonych wartości stężeń szkodliwych składników spalin w czasie rzeczywistym. Podstawowe dane techniczne analizatora spalin MEXA-1600 DEGR przedstawiono w tabeli 2. Tab. 2. Dane techniczne analizatora spalin MEXA-1600DEGR mierzony gaz typ modułu metoda pomiaru 2 WYNIKI BADAŃ zakres pomiarowy min/max CO-L AIA-260 NDIR 100ppm/3000ppm CO-H AIA-260 NDIR 1%/10% CO 2 AIA-260 NDIR 1%/16% T-HC FCA-266 H-FID 100ppm/20000ppm NO x FCA-266 H-CLD 100ppm/5000ppm O 2 IMA-262 MPD 10%/25% EGR-CO 2 IMA-262 NDIR 1%/10% Podczas rozruchu temperatura silnika, cieczy chłodzącej i oleju silnikowego była równa temperaturze otoczenia wynoszącej 17 ºC. Silnik na biegu jałowym pracował przez 220 s. Pomiar stężeń szkodliwych składników spalin mierzono przed katalizatorem. Na rysunku 1 przedstawiono przebieg zmiany mocy efektywnej, momentu obrotowego i prędkości obrotowej wału korbowego podczas rozruchu zimnego silnika VW 1.2 TSI. Maksymalna prędkość obrotowa wału korbowego podczas rozruchu wynosi około 1320 obr/min. W pierwszej fazie nagrzewania prędkość obrotowa wału korbowego wynosi 1200 obr/min. W drugiej fazie (od około 38 s po rozruchu) prędkość obrotowa zmniejsza się do 800 obr/min. Moc efektywna silnika podczas pierwszej fazy jego nagrzewania wynosiła około 0,3 kw, zaś podczas drugiej fazy wynosiła 0,18 kw. Moment obrotowy podczas pierwszej fazy nagrzewania silnika wynosił około 2,2 N m, natomiast podczas drugiej fazy wynosił 1,9 N m. Zwiększenie prędkości obrotowej i mocy efektywnej silnika w pierwszej fazie jego nagrzewania spowodowane było intensywniejszym nagrzewaniem zimnego silnika. Silnik seryjnie produkowany jest z trójfunkcyjnym reaktorem katalitycznym. Większa prędkość obrotowa i moc efektywna silnika powoduje, że reaktor szybciej się nagrzewa i osiąga właściwą temperaturę do ego działania. Ponadto szybsze nagrzewanie silnika korzystnie wpływa na właściwości smarne oleju silnikowego, przez co lepiej jest on rozprowadzany do części trących i wydłuża ich trwałość. 1465

4 Rys. 1. Przebieg zmiany mocy efektywnej, momentu obrotowego i prędkości obrotowej wału korbowego podczas rozruchu zimnego silnika VW 1.2 TSI Na rysunku 2 i 3 przedstawiono stężenia szkodliwych składników spalin, tj. węglowodory HC, tlenków azotu NO X, tlenków węgla CO i dwutlenków węgla CO 2 dla silnika VW 1.2 TSI podczas zimnego rozruchu pracującego na biegu jałowym przez 220 s. Rys. 2. Przebieg zmiany stężeń węglowodorów HC i tlenków azotu NO X podczas rozruchu zimnego silnika VW 1.2 TSI Podczas zimnego rozruchu stężenia węglowodorów wynosiły około 650 ppm. W okresie od około 38 do 60 s od chwili rozruchu silnika ilość węglowodorów w spalinach zwiększyła się i wynosiła ppm. Po 60 s od chwili rozruchu wartości stężeń były porównywalne i wynosiły około

5 ppm. Chwilowy wzrost stężeń węglowodorów mógł być spowodowany chwilowym wzbogaceniem mieszanki palnej. Po 38 s nieznacznie zmniejszyła się wartość współczynnika nadmiaru powietrza (mieszanka paliwowo powietrzna była bardziej bogata). Wzrost stężeń węglowodorów mógł być spowodowany także nierównomiernością rozkładu mieszanki paliwowo powietrznej w cylindrze. W pobliżu zimnych ścianek, gdy temperatura mieszanki paliwowo powietrznej jest zbyt niska mogło nastąpić niecałkowite i niezupełne spalanie. Kolejne warstwy mieszanki palnej są ogrzewane przez ciepło wydzielone ze spalania poprzednich warstw. Ciepło to przekazywane jest przez przewodzenie, promieniowanie i dyfuzję gorących spalin do mieszanki palnej i na odwrót. Gaśnięcie płomienia następuje wówczas, gdy straty ciepła do ścianki są tak duże, że mieszanka nie osiąga temperatury zapłonu. Według [17] zawartość węglowodorów w warstwie przyściennej jest kilkakrotnie większa niż w spalinach. Na ilość węglowodorów emitowanych ze spalinami ma również wpływ wielkości zużycia oleju silnikowego oraz parowanie oleju i paliwa, które związane są ze wszystkimi procesami zachodzącymi wewnątrz cylindra. Po upływie około 10 s po rozruchu silnika otrzymano największą wartość stężeń tlenków azotu wynoszącą około 440 ppm, następnie stężenie to gwałtownie malało i wynosiło około 200ppm. Podczas pracy silnika wartości stężeń tlenków azotu powoli wzrastały i po 220 s po rozruchu wynosiły one około 350 ppm. Wzrost stężeń tlenków azotu związany był z coraz wyższą temperaturą czynnika roboczego w cylindrze podczas rozruchu. Rys. 3. Przebieg zmiany stężeń tlenku węgla CO i dwutlenku węgla CO 2 podczas rozruchu zimnego silnika VW 1.2 TSI Wartość stężeń dwutlenku węgla do około 40 s po rozruchu zimnego silnika wynosiła 11,8%, natomiast po 40 s wartość ta wzrosła i wynosiła 12,8 %. Stężenia dwutlenku węgla związane są przede wszystkim ze zwiększonym zużyciem paliwa. Przy mieszankach bogatych tworzy się większa ilość tlenków węgla. Większa ilość tlenków węgla w czasie zimnego rozruchu powodowana jest niezupełnym i niecałkowitym procesem spalania. Dopalanie CO na CO 2 następuje powyżej temperatury wynoszącej około 300ºC. Niska temperatura ścianek cylindra i tłoka powodują wygaszanie płomienia, co również powoduje niezupełne i niecałkowite spalanie i większą emisję tlenków węgla. 1467

6 Rys. 4. Przebieg zmiany stężeń tlenu O 2 i współczynnika nadmiaru powietrza λ podczas rozruchu zimnego silnika VW 1.2 TSI Od początku rozruchu prze około 20 s mieszanka paliwowo powietrzna była uboga (λ>1). Po upływie tego czasu następowało wzbogacenie mieszanki paliwowo powietrznej. Według [17] podczas zimnego rozruchu silnika i jego nagrzewania wymagana jest bogata mieszanka paliwowo powietrzna. WNIOSKI Na podstawie analizy wyników otrzymanych z przeprowadzonych badań nowoczesnego silnika VW 1.2 TSI można stwierdzić, że w początkowej fazie pracy silnika trwającej do około 38 s prędkość obrotowa wału korbowego dochodziła do 1200 obr/min. Po tym czasie prędkość ta zmalała do prędkości wynoszącej około 800 obr/min. Podczas nagrzewania się silnika wartość stężeń tlenków azotu NO X wzrastały, ponieważ w cylindrze panowała i wzrastała temperatura przy której tworzą się te tlenki. Ponadto czas trwania procesu tworzenia się tlenków azotu NO X przy prędkości obrotowej wału korbowego wynoszącej około 800 obr/min jest dość długi, co również sprzyja tworzeniu się większej ilości tych tlenków. Większe stężenia tlenków węgla CO i węglowodorów HC związane są ze zwiększoną dawką paliwa, tzw. dawką rozruchową oraz niską temperaturą cylindra i głowicy powodującą występowanie zjawiska gaszenia płomienia w pobliżu ich ścianek. Reasumując należy stwierdzić, że podczas zimnego rozruchu silnika emitowana jest większa ilość szkodliwych składników spalin do otoczenia. Streszczenie W artykule przedstawiono stężenia szkodliwych składników spalin emitowanych przez nowoczesny tłokowy silnik spalinowy VW 1.2 TSI podczas jego rozruchu. Podczas badań przy zastosowaniu analizatora MEXA DEGR firmy Horiba mierzono następujące składniki spalin: tlenki azotu, węglowodory, tlenki węgla, dwutlenki węgla i tlen. Mierzono również współczynnik nadmiaru powietrza. Ponadto podczas rozruchu zimnego silnika mierzono jego moc efektywną, moment obrotowy i prędkość obrotową wału korbowego. Podczas rozruchu silnika w pierwszej fazie pracy otrzymano zwiększoną prędkość obrotową, która po około 38 s zmalała o około 400 obr/min. 1468

7 The concentration of harmful exhaust gas components during a cold start-up in the VW 1.2 TSI engine Abstract The article presents the concentrations of harmful exhaust gas components emitted by the modern combustion engine VW 1.2 TSI during it's start-up. During the research using the MEXA-1600 DEGR analyzer mady by Horiba the following components of the exhaust gas were measured: nitrogen oxides, hydrocarbons, carbon monoxide, carbon oxides and oxygen. The air excess coefficient was measured too. Morover, the effective power, torque and rotational speed of the crankshaft were measured during a cold start-up. During the engine start-up in its first phase of the work increased rotational speed was received, which after about 38 s decreased by about 400 rpm. BIBLIOGRAFIA 1. Ambrozik A., Ambrozik T., Orliński P., Orliński S.: Wpływ mieszanin etanolu z olejem napędowym na emisję wybranych składników spalin, LOGITRANS - VIII Konferencja Naukowo Techniczna Logistyka, Systemy Transportowe, Bezpieczeństwo w Transporcie. Logistyka Nauka 3/2011, s ISBN , Ambrozik T., Łagowski P.: Wpływ dodatku metanolu i etanolu do benzyny na stężenia szkodliwych składników spalin w silniku o zapłonie iskrowym, czasopismo Logistyka 4/2014. s ISSN Ambrozik T.: Wpływ recyrkulacji spalin na stężenia spalin w silniku FIAT MultiJet 1.3, czasopismo Logistyka 4/2014. s ISSN Bielaczyc P., Merkisz J., Pielecha J.: Stan cieplny silnika spalinowego a emisja związków szkodliwych, wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań Droździel P.: Badania wybranych parametrów rozruchu samochodowego silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym. Eksploatacja silników spalinowych, Zeszyt nr 13. Rozruch silników spalinowych. Komisja Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa Polska Akademia Nauk Oddział w Lublinie, Politechnika Szczecińska,, str , Szczecin Droździel P.: O rozruchu silnika o zapłonie samoczynnym, Eksploatacja i Niezawodność nr 2/2007, s , Duk-Sang Kim, Young-Joon Park, Seang-Wock Lee, Yong-Seok Cho: A study on characteristics and control strategies of cold start operation for improvement of harmful exhaust emissions in SI engines, Journal of Mechanical Science and Technology 22 (2008) , Fan Q., Li L.: Study on first-cycle combustion and emissions during cold start in a TSDI gasoline engine, Fuel 103 (2013) , Kotliński K.: Wpływ podgrzewania katalizatora na emisję toksycznych składników spalin podczas rozruchu silnika, Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej Rok LII nr 2 (185) Kruczyński S.: Trójfunkcyjne reaktory katalityczne, Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom, Łagowski P.: Ocena wskaźników ekonomiczno energetycznych i ekologicznych turbodoładowanego silnika o zapłonie wymuszonym 1.2 TSI, czasopismo Logistyka 3/ Luis Carlos Monteiro Sales, José Ricardo Sodré: Cold start emissions of an ethanol-fuelled engine with heated intake air and fuel, Fuel 95 (2012) , Mysłowski J.: Rozruch silników samochodowych z zapłonem samoczynnym, wyd. WNT. Warszawa, Pszczółkowski J.: Charakterystyki rozruchowe silników o zapłonie samoczynnym, wyd. SEPP Cogito. Zbąszynek Rong-Horng Chen, Li-Bin Chiang, Chung-Nan Chen, Ta-Hui Lin: Cold-start emissions of an SI engine using ethanol-gasoline blended fuel, Applied Thermal Engineering 31 (2011) ,

8 16. Ruizhi Song, Tiegang Hu, Shenghua Liu, Xiaoqiang Liang: Combustion characteristics of SI engine fueled with methanol-gasoline blends during cold start,, Front. Energy Power Eng. China 2008, 2(4): , DOI /s , Serdecki W.: Badania silników spalinowych, wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań W artykule wykorzystano aparaturę naukowo-badawczą zakupioną w ramach projektu LABIN Wsparcie Aparaturowe Innowacyjnych Laboratoriów Naukowo Badawczych Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach projekt nr POPW /09 współfinansowany przez Unię Europejską Program Operacyjny Rozwój Polski Wschodniej Oś Priorytetowa I Nowoczesna Gospodarka Działanie I.3 Wspieranie innowacji. 1470